对输送安全系统的混合通信网络中的数据传输进行调度的方法和其中的固定节点与流程

对输送安全系统的混合通信网络中的数据传输进行调度的方法和其中的固定节点相关申请本美国专利申请是Guo等人在2010年12月9日提交的美国专利申请12/964283“SynchronousDataTransmissioninHybridCommunicationNetworksforTransportationSafetySystems”的部分继续申请，通过引用将其并入这里。技术领域本发明一般地涉及用于输送安全系统的通信网络，并且更具体地，涉及包括有线固定节点和无线移动节点的混合通信网络中的数据分组的调度传输。

背景技术：
输送安全系统中的数据通信要求高可靠性和低延迟性。例如，国际电工协会（IEC）已经对于电梯系统中的通信网络设置了严格的安全和可靠性要求。仅允许在大约1015个安全相关分组中存在一个错误。对于高优先级分组的延迟要求能够短至几毫秒。传统的安全系统通常具有连接到专用有线通信网络的节点（收发器）。例如，为了在电梯系统中在控制器与轿厢之间发送安全分组，位于电梯井中的笨重的通信线缆连接到可移动轿厢。近来，无线通信技术已经应用于安全系统以减少成本并增加可扩张性。基于通信的列车控制（CBTC）是一个示例。安全系统中的通信网络通常包括诸如用于CBTC系统的线路侧节点的多个固定节点以及布置在列车车厢内的多个移动节点。固定节点经由诸如以太网的有线网络连接。固定节点也能够无线地发送和接收（收发）数据。用于安全系统的控制器通常经由有线接口连接到至少一个固定节点。分组被经由有线接口从控制器发送到固定节点，并且经由有线网络逐段中继到所有其它固定节点。然后，固定节点使用无线网络将分组再发送给移动节点。移动节点经由无线网络将分组通信给固定节点。固定节点接收数据，并且然后经由有线网络将该数据中继给连接到控制器的固定节点。连接到控制器的固定节点然后经由有线接口将数据发送给控制器。然而，现有的CBTC系统的规格在某些方面还存在不足。由于使用了传统的载波监听多路访问（CSMA）用于无线网络以及移动节点处的切换处理使得延迟处于秒的数量级。另外，消息错误率能够高达10-8。因此，需要开发一种用于安全系统的通信网络，其实现了更高的可靠性（例如，10-15的消息错误率）以及几毫秒的延迟。

技术实现要素：
本发明的实施方式提供了多段混合通信网络中的数据传输的调度方法，从而为输送安全系统实现了高可靠性和低延迟。附图说明图1A是根据本发明的实施方式的用于安全系统的多段混合无线通信网络的示意图；图1B是根据本发明的实施方式的从固定控制器发送到移动节点的下行分组的行进时间的示意图；图1C是根据本发明的实施方式的从移动节点发送到控制器的上行分组的行进时间的示意图；图2是根据本发明的实施方式的飞行时间的示意图；图3是根据本发明的实施方式的调度固定长度下行数据间隔和上行数据间隔的示意图；图4A是根据本发明的实施方式的动态地调度可变长度下行数据间隔的示意图；图4B是根据本发明的实施方式的动态地调度可变长度上行数据间隔的示意图；图5是根据本发明的实施方式的当控制器和固定节点具有专用下行和上行传输信道时调度下行数据间隔的示意图；图6A是根据本发明的实施方式的基于分组行进时间和分组延迟要求的下行分组排队时间的示意图；图6B是根据本发明的实施方式的基于分组行进时间和分组延迟要求的上行分组排队时间的示意图；以及图7是下行数据间隔内调度用于传送的多个下行数据分组的示意图。具体实施方式如图1A中所示，多段混合通信网络100包括有线网络101和无线网络102。混合网络能够用于高可靠性和低延迟通信。有线网络包括一组m+1个固定节点FN0、FN1、FN2、…、FNm。节点被顺序地布置使得具有较低标号的前一固定节点之后是具有较高标号的下一固定节点。即，节点在时间上顺序地发送和接收分组。每个固定节点（FN）配备有至少两个通信接口（其中的一个通信接口用于有线网络110）和一个或多个无线收发器111。无线网络102包括一组移动节点MN1、MN2、…、MNi。每个移动节点（MNi）112也配备有一个或多个无线收发器111。每个移动节点MNi表示诸如电梯或列车车厢132的移动装置。所有固定节点被沿着例如用于在井中移动的电梯轿厢132或在列车轨道上移动的车厢的轨道120布置。FN被线性地（但是不必为直线）布置。所有FN经由有线骨干网（例如，光纤线缆）连接。MN通常沿着轨道移动。在有线网络上使用的底层物理层协议是任意的。网络中的数据的源和接收方包括控制器131（例如，电梯控制器或列车控制器）和移动装置（例如，电梯或列车车厢）132。因此，也能够说，控制器和移动节点是数据源和接收方。安全相关数据被作为分组进行发送。控制器经由有线接口130（其不必与有线骨干网相同）连接到FN。在优选实施方式中，假设控制器连接到线性布置的网络的第一端处的FN（例如，FN0）。如果控制器连接到位于其它地方的FN，则能够将有线网络划分为两个子网络，从而控制器连接到位于各子网络的末端处。FN能够分类为三种类型的节点。连接到控制器131的FN被称为头节点。头节点FN0仅是将数据发送到控制器并从控制器接收数据的固定节点。位于网络的第二端的FN被称为终端节点FNm。所有剩余的FN形成使用有线骨干网将分组传输到相邻的FN的一组（一个或多个）中继节点。FN也与MN无线地进行通信。在控制器中生成的并且经由FN发送给MN的分组135被称为下行分组。由车厢生成的并且经由FN从MN发送给控制器的分组136被称为上行分组。在US12/964283中描述了异步网络中的固定节点的同步传输。本发明提供了针对下行和上行分组传输的调度方法以改进包含高优先级数据（例如，控制信号）的分组的可靠性并且减少延迟。下行分组传输控制器经由有线接口将下行分组135发送给头节点FN0。分组被经由有线网络101异步地顺序中继到所有固定节点。所有固定节点经由无线网络102无线地将分组同步地发送给移动节点。上行传输移动节点在移动节点的传输范围内将分组无线地发送给固定节点。接收到分组的固定节点经由有线网络将分组成功地中继到头节点。头节点经由有线接口将分组发送给控制器。调度方法的功能在多段混合无线通信网络100中，针对下行和上行数据分组传输的调度方法包括下述步骤：调度用于控制器和移动节点的下行数据间隔（DDI）和上行数据间隔（UDI），并且调度下行数据间隔或上行数据间隔内用于传输的多个数据分组。分组行进时间调度方法依赖于如下确定的分组的行进时间。在多段混合无线通信网络100中，分组传输与传统的对等网络中的分组传输的不同。分组由固定节点在控制器与移动节点之间中继。每个中继具有固有的延迟。对于安全系统，分组中的安全信号必须在指定的时段内传递到目的地。即，高优先级分组传输必须满足延迟要求。任何延迟都是不可接受的。因此，为了在没有违背延迟要求的情况调度分组传输，数据源确定分组从源行进到接收方所花费的时间。如图1B中所示，下行分组151从控制器131到移动节点MNi112的下行行进时间TD为TD=TCH+THF+TFM(1)。I．TCH是从控制器开始发送分组的时间到头节点（FN0）已经接收到该分组的时间的时间段。II．THF是从头节点已经接收到分组的时间到所有固定节点开始同步发送分组的时间的时间段。III．TFM是从所有固定节点同步发送分组的时间到移动节点MNi已经接收到该分组的时间的时间段。在US12/964283中描述了THF的确定。如图2中所示，能够使用往返分组传输飞行时间来确定TCH和TFW（参见US12/964283）。图1C示出了上行分组152的上行行进时间TU。行进时间TU为TU=TMF+TFH+THC(2)。IV．TMF是从移动节点MNi开始无线地发送分组的时间到固定节点已经接收到分组的时间的时间段。V．TFH是从固定节点已经接收到分组的时间到头节点开始将分组发送给控制器的时间的时间段。VI．THC是从头节点开始将分组发送给控制器的时间到控制器已经接收到分组的时间的时间段。由于传输的对称性，只要上行分组的长度等于下行分组的长度，就有TMF=TFM并且THC=TCH。然而，即使下行分组和上行分组的长度相同，TFH也能够小于THF。对于上行分组，TFH部分依赖于移动节点112的位置。当移动节点位于头节点附近时，TFH较小，并且当移动节点位于终端节点附近时，TFH较大。只有上行中继从终端节点开始的情况下，TFH=THF。分组的行进时间还依赖于分组的长度。分组越长，时间越多，并且分组越短，时间越少。为了更准确，分组被基于分组的长度分为n个不同类别Cj（j=1，2，…，n）。对于每个类别Cj，具有最大长度的分组用于确定行进时间TCj。分组被划分为使得TC1<TC2<…<TCn。如果分组的长度处于类别Cj中，则TCj用作分组的行进时间。例如，如果分组被划分为三个类别（其中，类别C1包括长度为1字节至100字节的分组），则类别C2包括长度为101字节至200字节的分组，并且类别C3包括长度从201字节至网络100中允许的最大分组长度的分组。然后，长度为200字节的分组用于确定类别C2的分组行进时间。如果分组的长度为50字节，则类别C1的分组行进时间用作调度的分组的行进时间。能够在分组传输开始之前进行时间TCj（j=1，2，…，n）的确定。对于上行分组，TCj依赖于移动节点的位置。为了安全，行进时间基于上行中继从终端节点开始的时间。这确保了任何位置的移动节点发送的所有上行分组的适合的行进时间。调度下行和上行数据间隔在根据本发明的实施方式的多段混合无线通信网络中，节点没有同步。控制器和移动节点没有彼此直接通信。分组经由有线网络由固定节点中继并且然后经由无线网络到达移动节点或者经由有线接口到达控制器。数据传输时间被分为下行数据间隔（DDI）和上行间隔（UDI）。DDI和UDI的长度能够是固定的或可变的。而且，DDI的长度能够不同于UDI的长度。基于DDI和UDI的长度是固定的还是可变的，提供了两种调度方法。而且，基于专用下行和上行信道的可用性，提供了第三调度方法。固定长度DDI和UDI的调度有两种调度固定长度DDI和UDI的方式。控制器和移动节点能够在预定时间或动态地开始其DDI和UDI。预定时间开始方案由于DDI和UDI的开始时间是预先确定的而是简单的。控制器和移动节点就根据预先确定的DDI和UDI进行发送和接收。下面描述其中由控制器和移动节点动态地确定DDI和UDI的开始的动态DDI和UDI开始。如图3中所示，控制器通过发送下行数据分组在控制器时间TC0开始第一DDI1。即，分组传输开始时首先为下行数据。移动节点在发送其上行分组之前等待来自控制器的分组。为了简化的目的，在各DDI的开始时发送的第一下行分组具有相同的长度。这仅为了将DDI和UDI的开始保持为周期性的，并且该描述简单。将理解的是，同样的调度方法也适用于DDI和UDI的非周期性开始。即，对于第一下行分组的长度没有限制。为了开始第一DDI1，控制器发送特定长度的下行数据分组。如果不存在将要发送的数据，则控制器发送载荷填充为零的分组。第一下行分组传输的开始时间TC0是用于控制器的DDI1的开始。移动节点在移动节点接收到来自控制器的下行分组时开始其DDI1。对于移动节点，接收到第一下行分组的开始时间TM0表示其DDI1的开始。由于下行分组同步地发送到移动节点，因此所有移动节点同时接收第一下行分组。因此，移动节点同时开始其DDI1。从第一分组传输开始，控制器发送下行分组，直到DDI1在时间TC1=TC0+TDDI结束，其中，TDDI表示DDI的时段长度。从在时间TM0接收到第一下行分组开始，移动节点继续接收下行分组直到在时间TM1=TM0+TDDI结束其DDI1。然后，移动节点开始其第一UDI1，并且发送上行分组直到在时间TM2=TM0+TDDI+TUDI结束其UDI1，其中，TUDI表示UDI的时段长度。控制器能够根据控制器时间确定移动节点何时开始其UDI1。移动节点处的UDI1在时间TC0+TCH+THF+TDDI开始并且在时间TC0+TCH+THF+TDDI+TUDI结束，其中，TCH和THF用于第一下行分组并且其定义如等式（1）中所示。由于上行分组的行进时间依赖于移动节点的位置和分组长度，因此控制器需要对于最早达到的上行分组做好准备。因此，控制器在时间TC2=TC0+TCH+THF+TDDI+TMF开始其UDI1，其中TMF用于最小长度上行分组并且如等式（2）中所示地定义。对于控制器，其UDI1在时间TC3=TC0+2(TCH+THF)+TDDI+TUDI结束。注意的是，用于控制器的UDI长于用于移动节点的UDI。这确保了控制器接收到由具有任何分组长度的位于任何位置的移动节点发送的上行分组。当其UDI1在时间TC3结束时，控制器通过发送下行分组立即开始其DDI2并且其DDI2在时间TC4=TC0+2(TCH+THF)+2TDDI+TUDI结束。移动节点也能够在开始其DDI2时进行确定。根据移动节点时间，DDI2在时间TM3=TM0+2(TCH+THF)+TDDI+TUDI开始并且在时间TM4=TM0+2(TCH+THF)+2TDDI+TUDI结束。该DDI和UDI方式继续。通常对于控制器来说，DDIn(n=1,2,…)在控制器时间TC0+(n-1)[2(TCH+THF)+TDDI+TUDI]开始并且在控制器时间TC0+(n-1)[2(TCH+THF)+TDDI+TUDI]+TDDI结束，并且其UDIn(n=1,2,…)在控制器时间TC0+(2n-1)(TCH+THF)+nTDDI+(n-1)TUDI+TMF开始并且在控制器时间TC0+n[2(TCH+THF)+TDDI+TUDI]结束。对于移动节点，其DDIn(n=1,2,…)在移动节点时间TM0+(n-1)[2(TCH+THF)+TDDI+TUDI]开始并且在移动节点时间TM0+2(n-1)(TCH+THF)+nTDDI+(n-1)TUDI结束，并且其UDIn(n=1,2,…)在移动节点时间TM0+2(n-1)(TCH+THF)+nTDDI+(n-1)TUDI开始并且在移动节点时间TM0+2(n-1)(TCH+THF)+nTDDI+nTUDI结束。将理解的是，如果对于在各DDI中传输的第一下行分组的长度没有限制，则没有用于DDI和UDI的开始和结束时间的通用表达式。DDI1中的第一下行分组确定DDI1和UDI1的开始和结束时间。DDI2中的第一下行分组确定DDI2和UDI2的开始和结束时间。一般来说，DDIn中的第一下行分组确定DDIn和UDIn(n=1,2,…)的开始和结束时间。DDIn和UDIn的开始和结束时间的计算与如上所述的针对DDI1和UDI1的计算相同。如图3中所示，用于控制器和移动节点的DDI和UDI在多段混合无线通信网络中由于分组行进时间而没有对齐。图3还示出了在DDI和下一UDI之间存在用于控制器的空闲间隔（FI）。在UDI与下一DDI之间还存在用于移动节点的FI。FI的长度能够不同于用于移动节点的情况，并且其也可以根据DDI和UDI的开始是否是周期性的而随时间变化。可变长度DDI和UDI的调度在该实施方式中，如果在DDI或UDI内不存在更多要发送的数据，则允许提早终止DDI或UDI。DDI和UDI调度与固定长度的DDI和UDI同样地开始，并且具有为DDI和UDI定义的默认长度。DDI和UDI能够在预定时间开始或者动态地开始。然而，为了优化带宽，如果控制器没有任何分组要在DDI内传输，则控制器能够提早终止DDI，并且如果移动节点没有任何分组要在UDI内传输，则移动终端能够提早终止UDI。图4A示出了由控制器进行的DDI提早终止。在UDIn之后，控制器在下一DDI中开始下行数据传输。在DDI结束之前，控制器在其发送到移动节点的最后的下行分组中指示当前DDI的终止。当移动节点接收到该DDI终止分组时，移动节点终止其DDI并且开始其下一UDI。控制器能够在移动节点接收到DDI终止分组时进行确定并且开始其下一UDI。因此，控制器能够决定何时应开始其下一UDI。从该UDI1开始，DDI和UDI方式以用于DDI和UDI的默认长度继续直到由控制器或移动节点做出了提早终止。图4B示出了仅利用一个移动节点的UDI的提早终止。当DDIn结束时，移动节点在下一UDI中开始上行数据传输。在UDI结束之前，移动节点在其发送给控制器的最后的上行分组中指示当前UDI的终止。当控制器接收到该UDI终止分组时，控制器终止其自己的UDI并且开始其下一DDI。移动节点在其接收到下一下行分组时开始其下一DDI。从该DDI1开始，DDI和UDI方式以用于DDI和UDI的默认长度继续直到由控制器或移动节点做出了提前终止。如果存在多个移动节点，则由所有移动节点指示UDI的终止。例如，存在两个移动节点MN1和MN2。如果MN1指示UDI的终止，则控制器没有终止其UDI并且继续接收来自MN2的上行分组直到当前UDI的结束。在该情况下，MN1不具有任何要发送的上行分组。因此，MN1等待来自控制器的下一下行分组以开始其下一DDI。然而，如果控制器接收到来自MN1和MN2的UDI终止，则控制器终止其UDI并且开始下一DDI。具有专用下行和上行通信信道的具有控制器和固定节点的网络的DDI的调度如果有线网络配备有专用的下行和上行信道，则提供了更有效的调度方法。在该情况下，控制器具有针对头节点的专用的下行信道和针对头节点的专用上行信道。而且，有线网络具有专用的下行信道和专用的上行信道。如图5中所示，控制器能够对于DDI2提早开始501下行数据传输。准确地，控制器能够在时间TC0+TDDI+TUDI+ΔT开始DDI2下行传输，其中，ΔT对应于所有移动节点的回头时间。一般来说，控制器能够在时间TC0+(n-1)(TDDI+TUDI)+ΔT(n=2,3,….)开始用于DDIn的下行传输。该调度方法完全地利用了移动节点的空闲间隔。DDI或UDI内传输的多数据分组的调度在大多数通信网络中，当产生分组时，分组被存储在传输队列中。分组在被发送之前保留在传输队列中。从分组产生到分组传输的时间被称为排队时间。在安全系统中，对于高优先级分组的延迟有严格的限制。高优先级分组必须被发送以满足特定的延迟要求。因此，必须注意限制分组排队时间。分组排队时间控制器和移动节点在分组被产生时开始相对计时。对于高优先级分组（例如，控制信号分组），基于延迟要求对排队时间进行限制。如图6A中所示，对于高优先级下行分组，排队时间TQ满足下述条件：TQ+TD≤LD(3)，其中，排队时间TQ=TTX–TG，TG是分组产生的时间，TTX是分组被发送的时间，TD是下行分组的行进时间，并且LD是对于下行分组的延迟要求。类似地，如针对高优先级上行分组的图6B中所示，排队时间TQ满足下述条件：TQ+TU<=LU(4)，其中，排队时间TQ与等式（3）中的相同，TU是上行分组所需的行进时间，并且LU是针对上行分组的延迟要求。用于下行分组的最大排队时间TQM是TQM=LD-TD，并且用于上行分组的最大排队时间TQM是TQM=LU-TU。如果TQ≤TQM，则被发送的分组满足其延迟要求。然而，如果TQ>TQM，则分组的发送不满足延迟要求。用于传输的多个分组的调度对于DDI或UDI，控制器或移动节点确定能够发送的分组的数目。对于控制器，调度依赖于TDDI、下行传输队列中的分组的数目、排队时间、优先级、延迟要求和各下行数据分组的行进时间。对于移动节点，调度依赖于TUDI、上行传输队列中的分组的数目、排队时间、优先级、延迟要求和各上行数据分组的行进时间。如US12/964283中所描述的，为了避免由于反馈导致的延迟，没有使用任何分组应答。因此，能够确定在数据间隔内将发送的分组的数目。假设控制器发送来自类别Cj(j=1,2,…,n)的Kj个分组，则满足下述条件：K1*TC1+K2*TC2+…+Kn*TCn<=TDDI(5)类似的不等式对于移动节点也是成立的。不需要按照排队顺序来发送分组。例如，在排队时间相同的情况下，在较低优先级分组之前发送较高优先级分组。在优先级相同的情况下，在具有较短的排队时间的分组之前发送具有较长的排队时间的分组。在带宽不足的情况下，较低优先级分组让步于较高优先级分组。因此，确保了针对较高优先级分组的延迟要求。图7示出了其中传输队列中存在在下一DDI中将要发送的k个下行分组的调度示例。所有k个分组具有相同的优先级。分组被产生为TG1<TG2<…<TG(k-1)<TGk。即，TQ1>TQ2>…>TQ(k-1)>TQk。然而，第k个分组具有较短的延迟，从而TGk+Lk<TG1+L1<…<TG(k-1)+Lk-1，其中，L1,L2,…,Lk是针对k个分组的各延迟要求。因此，传输时间TTX1、TTX2、…、TTXk被调度为TTXk<TTX1<…<TTX(k-1)。即，首先发送第k个分组。只要能够满足延迟要求，控制器和移动节点能够选择来自不同的类别的分组的数目以优化带宽的使用。控制器和移动节点确保了其调度的分组传输能够在给定的数据间隔内完成。控制器和移动节点还确保了其分组传输能够在用于目的地的被调度的接收时间间隔内由目的地完全地接收。换言之，DDI或UDI中的最后的分组的传输没有离DDI或UDI的结束太近。对于控制器，相对于DDI的开始的最后的下行分组的开始传输时间TLTX满足：TLTX<=TDDI+T1CH+T1HF–TLD(6)，其中，T1CH和T1HF是用于如等式（1）中定义的DDI的第一下行分组，并且TLD是最后的下行分组的行进时间。对于移动节点，相对于UDI的开始的最后的上行分组的开始传输时间TLTX满足：TLTX<=TUDI+TC1MF–TLU(7)，其中，对于类别C1分组，在等式（2）中定义TC1MF，TLU是从终端节点开始中继的最后的上行分组的行进时间。换言之，移动节点确定用于在UDI中发送的最后的上行分组的最新发送时间。上行分组中继成功接收到来自移动节点的上行分组的所有固定节点将接收到的分组经由有线网络中继到头节点。然而，接收到来自前一节点的中继的分组的固定节点检查分组ID以确定同一分组是否已经被转发给下一节点。如果是，则节点丢弃分组，否则，分组被中继到下一节点。根据上述实施方式，虽然描述了本发明能够用于电梯系统或列车系统，但是本发明不限于此。例如，本发明也能够用于基础设施设备（例如，设置在道路上的基础设施传感器或交通灯）和车辆经由无线电通信连接的情况。此外，本发明的头节点能够设置在道路上，并且移动节点设置在各车厢上。